AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DO COMPORTAMENTO ESTRUTU- RAL DE VIGAS EM AÇO ENFORMADO A FRIO

AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DO COMPORTAMENTO

ESTRUTU-RAL DE VIGAS EM AÇO ENFORMADO A FRIO

Luís Laíma e João Paulo C. Rodriguesb a

Doutorando, Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de

Co-imbra. Coimbra, Portugal. e-mail: luislaim@hotmail.com b

Professor, Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de

Coim-bra. Coimbra, Portugal. e-mail: jpaulocr@dec.uc.pt

Resumo. Este artigo apresenta um estudo experimental sobre o comportamento estrutural

quase-estático de vigas em aço enformado a frio à temperatura ambiente. Este trabalho foi baseado num alargado programa de ensaios experimentais com o principal intuito de estimar a capacidade de carga última das vigas e de avaliar os seus modos de instabilidade. Nestes en-saios procurou-se analisar e comparar o comportamento entre vigas com quatro secções transversais diferentes, C, R, I-enrijecido e 2R. Por fim, uma das conclusões importantes a que este estudo chegou foi o facto de a utilização de vigas com mais que um perfil poder me-lhorar bastante a sua resistência à flexão e de minimizar o efeito de alguns fenómenos de ins-tabilidade.

1 Introdução

A construção metálica é hoje uma tecnologia muito utilizada na construção civil. A cres-cente inserção do aço estrutural em edifícios deve-se essencialmente às suas vantagens relati-vamente às de betão. Por exemplo, nas estruturas metálicas é possível construir elementos es-truturais mais esbeltos, permitindo assim aumentar a área útil de construção e diminuir a altu-ra das lajes. E, ao contrário do betão, o aço é correntemente utilizado na forma de perfis, exis-tindo três grandes grupos de perfis, nomeadamente, os perfis laminados a quente, os perfis soldados e os perfis enformados a frio. Estes últimos, em relação aos outros, têm ainda a van-tagem de facilidade de produção, monvan-tagem e transporte, devido ao baixo peso dos perfis, conferido pelas espessuras reduzidas dos mesmos. Os tempos de construção são também re-duzidos, porque os respectivos elementos podem ser facilmente manipulados pelos trabalha-dores. Outra vantagem é a grande variabilidade de perfis disponíveis no mercado, permitindo construções com as mais diferentes formas de secções transversais.

No entanto, o facto deste tipo de perfis apresentar elevada esbelteza das paredes das sec-ções transversais, elevada relação entre a largura e a espessura das mesmas, e de apresentar baixa rigidez torsional (muito inferior que a rigidez de flexão) pela não coincidência dos cen-tros de corte e de gravidade, proporcionam a ocorrência de diversos fenómenos de

instabili-dade neste tipo de perfis. Neste sentido, muitos dos estudos existentes avaliam fundamental-mente os fenómenos de instabilidade local e distorcional [1, 2], a resistência pós-encurvadura [1], os fenómenos de encurvadura global por flexão, torsão e flexão-torsão [1, 2], a resistência de painéis de parede estrutural [3, 4], a resistência à flexão [5, 6, 7, 8] e a resistência de al-guns tipos de ligações aparafusadas [9]. Contudo, note-se que a maioria dos estudos realiza-dos sobre esta temática são maioritariamente de domínio numérico, existindo poucos esturealiza-dos experimentais.

Deste modo, este trabalho de investigação tem como objectivo estudar o comportamento estrutural de vigas de aço enformado a frio, com base num alargado programa de ensaios ex-perimentais à temperatura ambiente. Nestes ensaios foram utilizadas vigas com quatro sec-ções transversais diferentes, C, R, I-enrijecido e 2R, ou seja, vigas com secsec-ções transversais constituídas por diferentes números de perfis de aço enformados a frio, aparafusados entre si. O comportamento estrutural destas vigas foi estudado através de ensaios de flexão de quatro pontos, com o fim de estimar a capacidade de carga última das respectivas vigas, os modos de instabilidade associados a cada viga e, ainda, o ganho de capacidade estrutural que é possível obter com a utilização de vigas compostas (constituídas com mais do que um perfil).

Por fim, este trabalho tem em vista no futuro o estudo experimental e numérico deste tipo de vigas em situação de incêndio para, posteriormente, propor métodos simplificados de cál-culo de dimensionamento ao fogo de vigas de aço enformado a frio.

2 Análise experimental

Os ensaios experimentais em vigas de aço galvanizado enformado a frio foram realizados no Laboratório de Ensaios de Materiais e Estruturas (LEME) do Departamento de Engenharia Civil (DEC) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC), em Portugal. O programa experimental englobou um total de 12 ensaios à temperatura ambi-ente, uma vez que foi analisado o comportamento estrutural quase-estático de 4 vigas com secções transversais diferentes e por cada tipo de secção transversal foram ainda realizados três ensaios, de modo a adquirir uma melhor correlação dos resultados. Neste trabalho procu-rou-se estudar secções transversais de vigas com o mesmo tipo e dimensão das mais comuns nos edifícios de construção metálica em perfis de aço enformados a frio em Portugal.

2.2 Provetes de ensaio

Os provetes de ensaio consistiram assim em vigas C, I-enrijecido, R e 2R, com 250 mm de altura e um vão de 3 m (Fig. 1). Este comprimento de vão foi escolhido devido às limitações geométricas do forno horizontal eléctrico disponível no LEME do DEC da FCTUC, uma vez que este trabalho de investigação é apenas introdutório ao estudo deste tipo de vigas ao fogo como referido anteriormente.

Note-se que as vigas I-enrijecido consistiam em dois perfis C aparafusados um no outro pelas almas, as vigas R em um perfil C e um perfil U encaixados um no outro em forma de caixão e aparafusados pelos banzos e, por fim, as vigas 2R em duas vigas R aparafusadas pe-las almas dos perfis C. Todos estes perfis eram aparafusados uns nos outros através de parafu-sos auto-perfurantes S-MD03Z 6,3x19 da Hilti com afastamentos entre si como os indicados pela Fig. 2. Além disso, a espessura dos perfis constituintes deste tipo de vigas era sempre

constante e igual a 2,5 mm. Os perfis eram ainda da classe estrutural S280GD+Z e os parafu-sos da classe S235.

Fig. 1: Esquema dos provetes de ensaio (unidades em mm)

Fig. 2: Secções de aparafusamento dos perfis

2.3 Sistema experimental

A Fig. 3 mostra o sistema experimental utilizado para os ensaios de flexão de quatro pon-tos à temperatura ambiente. Como se pode observar o carregamento foi aplicado na viga (1) em dois pontos de modo a dividir a viga em três troços de igual comprimento (1 m) e fazendo com que esta no troço intermédio apresentasse flexão pura. O carregamento foi aplicado por um macaco hidráulico de duplo efeito RR 3014 da ENERPAC (2), que por sua vez estava suspenso num pórtico de reacção HEB 300 (3) e era controlado por uma central servo-hidráulica W+B NSPA700/DIG2000 com o auxílio de um transdutor de deslocamento SDP-200D da TML (4). O carregamento aplicado no provete foi ainda medido através de uma célu-la de carga F204 da Novatech com 250 kN de capacidade (5).

Entre o macaco hidráulico de duplo efeito (2) e o provete de ensaio (1) foram instaladas duas rótulas (6) e um sistema de redistribuição de carga constituída por um pilar HEA 160 (7) e uma viga HEB 140 (8), ambos preenchidos entre os banzos com betão leve de protecção ao fogo. As rótulas (6) permitiram que o carregamento aplicado se acomodasse às deformações locais e globais da viga (1) durante o respectivo ensaio, em especial, às deformações laterais, enquanto a viga HEB 140 (8) possibilitou aplicar a carga proveniente do macaco hidráulico em dois pontos equidistantes ao centro da viga. Por outro lado, a existência do pilar HEA 160 (7) e do betão leve de protecção ao fogo entre os banzos deste pilar e da viga referida anteri-ormente teve apenas o intuito de ensaiar as vigas de aço enformado a frio à temperatura

ambi-ente nas mesmas condições dos ensaios a realizar ao fogo. Ou seja, o pilar (7) terá apenas a função de transmitir a carga proveniente do macaco hidráulico (2) à viga de aço enformado a frio (1) que estará dentro de um forno horizontal eléctrico disponível no LEME do DEC da FCTUC. Neste sentido, o betão leve permitirá manter integridade daqueles elementos durante todos os ensaios de resistência ao fogo.

Finalmente, os deslocamentos da viga (9) e as rotações dos apoios (10) foram medidos com transdutores de deslocamentos CDP-100, SDP-200D ou DP 1000E da TML. E, em al-gumas secções transversais de alguns dos provetes foram ainda medidas extensões com exten-sómetros FLA-6-11 da TML, como se poderá visualizar mais à frente neste artigo. Note-se também que o sistema de apoios era composto por um apoio simples (ou seja, que permitia rotação e deslocamento na direcção longitudinal da viga) (11) e um duplo (ou seja, que permi-tia apenas rotação) (12) em aço refractário A310, e ambos com restrição à rotação lateral co-mo se pode visualizar em maior pormenor pela Fig. 4. A aquisição de dados foi efectuada com um Data Logger TDS 530 da TML.

Fig. 3: Sistema experimental Fig. 4: Apoios: duplo (a) e simples (b)

2.4 Procedimento de ensaio

Os ensaios de flexão de quatro pontos foram adoptados com o principal intuito de se esti-mar a capacidade de carga última das vigas de aço enformado a frio a testar e de avaliar os modos de instabilidades associados a cada viga, nomeadamente, os fenómenos de encurvadu-ra global, local, distorcional e suas inteencurvadu-racções. Os provetes de ensaio foencurvadu-ram assim progressi-vamente carregados à velocidade constante de 0,01 mm/s até que as deformações verticais das vigas fossem excessivas (na ordem dos 60 mm), ou seja, bastante para além da deformação correspondente ao valor máximo da capacidade de carga da respectiva viga.

Nestes ensaios mediram-se as forças aplicadas sobre as vigas, os deslocamentos verticais e horizontais, as rotações dos apoios e a rotação lateral das vigas a meio vão e, por último, as extensões longitudinais em alguns pontos das secções transversais das mesmas vigas (Fig. 5).

Enquanto os deslocamentos verticais da viga foram medidos nas secções S1, S2 e S3, as ex-tensões foram medidas nas secções S1 e S2 e, apenas, em alguns ensaios de cada tipo de viga ensaiada. Note-se que a secção S1 é a secção transversal da viga a meio vão, a secção S2 dista 0,5 m do apoio duplo e, finalmente, a secção S3 dista 0,5 m do apoio simples (Fig. 6).

Fig. 5: Localização de extensómetros nas secções transversais das vigas

Fig. 6: Pormenor de um provete de ensaio na instalação experimental

2.5 Resultados e sua discussão

Os diagramas apresentados na Fig. 7 traduzem a evolução da capacidade de carga das vi-gas em função dos respectivos deslocamentos verticais na secção S1, com base nos ensaios de flexão de quatro pontos à temperatura ambiente. Nestes ensaios verificou-se que o comporta-mento estrutural quase-estático de vigas do mesmo tipo foi semelhante nos três ensaios, com excepção do primeiro ensaio da viga I-enrijecida (I-1), uma vez que esta foi utilizada para ca-librar o sistema de instalação experimental.

Como era de esperar as vigas 2R apresentam maior capacidade de carga e, pelo contrário, as vigas C menor capacidade de carga. Relativamente a estas vigas C observou-se que as vi-gas I, R e 2R mostraram uma capacidade de carga superior em aproximadamente 3, 5 e 10 vezes, respectivamente. Além disso, com aproximadamente o mesmo material (vigas I e R), verificou-se que a solução de secção fechada (viga R) melhorou em aproximadamente 1,5

ve-zes a capacidade máxima de carga da viga. Por outro lado, pode-se observar que a instabilida-de das vigas I, R e 2R produziram elevadas reduções na capacidainstabilida-de instabilida-de carga logo após atin-girem o pico máximo de capacidade de carga, cerca de 50 % deste último valor. Este efeito deveu-se sobretudo aos fenómenos de instabilidade local e distorcional, como se verá mais adiante neste artigo.

Por fim, note-se que não existem patamares de plasticidade nestes gráficos, ao contrário do que é comum nas vigas de aço laminado a quente com classes 1 e 2. E, algumas das pequenas descontinuidades visíveis nas curvas destes gráficos corresponderam à rotura de alguns para-fusos na zona comprimida das vigas, porém estas só foram observadas após a instabilidade das mesmas.

Fig. 7: Diagramas carga-deslocamento das vigas C (a), I-enrijecido (b), R (c) e 2R (d)

Outra importante conclusão a retirar deste estudo foi a diferença de comportamento obser-vado à encurvadura global lateral das vigas. Pela Fig. 8 pode-se verificar que todas as vigas, com excepção das vigas 2R, desde o início dos respectivos ensaios começaram a sofrer rota-ção lateral a meio vão, com especial incidência nas vigas C. Por exemplo, quando a viga C-2 (segundo ensaio de vigas C) atingiu a capacidade máxima de carga quando a rotação lateral a meio vão desta viga já era aproximadamente de 10 º, enquanto nas vigas I-2 e R-2 eram res-pectivamente de 2,5 e 1 º. Por outro lado, como se pôde constatar pelos ensaios, as rotações laterais das vigas I e R só agravaram quando os fenómenos de instabilidade local e distorcio-nal surgiram. Por último, a encurvadura lateral nas vigas 2R deveu-se essencialmente à insta-bilidade distorcional do banzo comprimido de um dos perfis U das respectivas vigas.

A Fig. 9 apresenta a rotação lateral das vigas na secção S1 em função do respectivo deslo-camento vertical. Nesta verifica-se a grande capacidade de deformação da viga 2R-2 sem ocorrência de instabilidade lateral, por contraste com a viga C-2. Por outro lado, é de se

sali-entar a velocidade de rotação lateral da viga I-2 em função do seu deslocamento vertical na secção S1, logo após esta ter atingido a carga última, uma vez que antes de atingir esta carga a viga I-2 sofreu pouca rotação lateral e depois passou a ter quase a mesma rotação que a viga C-2 para o mesmo valor de deformação das respectivas vigas.

Fig. 8: Capacidades de carga relativa das vigas em função da rotação lateral das mesmas a meio vão

Fig. 9: Rotação lateral das vigas a meio vão em função do respectivo deslocamento vertical

A Fig. 10 mostra a título de exemplo o valor da rotação dos apoios da viga C-2 durante o próprio ensaio. Desta figura é possível constatar que a rotação de ambos os apoios foi sempre aproximadamente a mesma e que na capacidade máxima de carga da viga (com 10 mm de deslocamento vertical na secção S1) a rotação dos apoios era cerca de 0,5 º, enquanto no fim do ensaio era de 3 º (instante em que o deslocamento vertical na secção S1 era de 60 mm).

Fig. 10: Rotação dos apoios da viga C-2 em função do seu deslocamento vertical a meio vão

A Fig. 11 apresenta como referência a evolução das extensões na secção transversal S1 da viga I-2 em função do carregamento aplicado sobre esta mesma viga. Uma das principais ob-servações que se destaca logo desta figura é a desigualdade do comportamento estrutural dos

banzos desta viga. Verifica-se que na zona de aumento de carga, enquanto as extensões de tracção foram sensivelmente as mesmas, as extensões de compressão foram muito diferentes. Uma das extremidades do banzo comprimido da viga foi sucessivamente mais solicitado que o outro, ou seja, à medida que a rotação lateral a meio vão da viga aumentava o banzo do lado contrário ao sentido da rotação lateral era cada vez mais solicitado de modo a suportar a acção exercida sobre a viga. Desta forma, quando este banzo atingiu aproximadamente a extensão de cedência (0.13 % = fy (280 MPa) / E (210 GPa)) a viga começou a diminuir a sua capaci-dade de carga (Fig. 12), como é de esperar em vigas à flexão da classe 3, segundo o Eurocó-digo 3, Parte 1.1 [10].

Por último, com o decorrer do ensaio este comportamento foi modificando-se cada vez mais, chegando mesmo à situação de os banzos menos solicitados deixarem de estar à com-pressão para estar à tracção e vice-versa.

Fig. 11: Extensões medidas na secção S1 da viga I-2

Com base nos valores destas extensões medidas e assumindo que o aço tem um comporta-mento reológico elástico perfeitamente plástico (Fig. 12) foi possível calcular de modo apro-ximado os momentos de flexão segundo o eixo xx’ (Mxx’) e comparar com os obtidos pela Teoria da Mecânica Clássica, nomeadamente, pela Teoria da Estática dos Corpos Rígidos (Fig. 13). Esta figura também traduz que existiu uma boa aproximação entre estes valores, em especial até ao valor máximo de capacidade de carga da respectiva viga. Por outro lado, é de se salientar ainda que com o aumento da rotação lateral da viga na secção S1 começou a sur-gir um momento significativo segundo o eixo yy’ que, consequentemente, foi o responsável pela inversão de sinal das extensões nos banzos da mesma viga.

Fig. 12: Diagrama tensão-extensão obtido no ponto Ext-2 da secção S1 da viga I-2

Fig. 13: Momentos flectores observados na sec-ção S1 da viga I-2

2.6 Modos de rotura

A Fig. 14 mostra os modos de rotura que determinaram o comportamento estrutural das vi-gas de aço enformado a frio ensaiadas. Neste sentido e através do que foi exposto anterior-mente neste artigo é possível concluir que as vigas C colapsaram por encurvadura lateral-torsional, as vigas I por encurvadura lateral e distorcional do banzo comprimido de um dos perfis C das respectivas vigas, as vigas R por encurvadura lateral, por encurvadura distorcio-nal do banzo comprimido do perfil U e por encurvadura local da alma do perfil C e, fidistorcio-nalmen- finalmen-te, as vigas 2R por encurvadura distorcional de um dos banzos comprimidos do perfil U.

Fig. 14: Modos de instabilidade das vigas C (a), I-enrijecido (b), R (c) e 2R (d)

3 Conclusões

No presente artigo foram apresentados e examinados os resultados de uma investigação experimental sobre o comportamento estrutural quase-estático de vigas de aço enformado a frio, frequentemente utilizadas em construção metálica com este tipo de perfis. Deste modo, foi efectuado um conjunto de ensaios de flexão de quatro pontos à temperatura ambiente, com o especial intuito de avaliar a resistência à flexão de vigas com diferentes secções transver-sais.

Neste sentido, concluiu-se fundamentalmente e como era de esperar que este tipo de vigas é muito susceptível a fenómenos de instabilidade global e local. Relativamente aos fenómenos globais mostrou-se ainda que é possível reduzir os seus efeitos, como foi o caso concreto das vigas 2R, no entanto, os fenómenos de distorção acabaram sempre por originar instabilidade lateral destas mesmas vigas. No entanto, de modo a minimizar ainda o efeito deste último fe-nómeno de instabilidade nas vigas 2R, uma das soluções a adoptar seria possivelmente a utili-zação de perfis U enrijecidos nas extremidades dos banzos em vez dos perfis U simples, ou seja, como os perfis C mas com os enrijecedores orientados para a parte de fora do perfil.

Outra importantíssima conclusão a retirar deste estudo foi que com a utilização de secções transversais simétricas de vigas de aço enformado a frio (vigas I-enrijecido) em vez de sec-ções assimétricas (vigas C) e mesmo com o dobro do material destas, pôde-se aumentar em 3,5 vezes a resistência à flexão das respectivas vigas. Por outro lado, ainda se obteve um

au-mento em aproximadamente 1,5 vezes na resistência à flexão de vigas fechadas (vigas R) re-lativamente a vigas com secção transversal aberta (vigas I-enrijecido).

Finalizando, utilizar vigas com um grande número de perfis também deixa de ser a solução ideal, uma vez que a relação entre capacidade de carga da viga e o seu peso tende a estabili-zar, como se verificou entre as vigas R e 2R.

Agradecimentos

Os autores expressam seus agradecimentos à Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) do Ministério Português da Ciência e do Ensino Superior (MCES) no âmbito do pro-jecto de reequipamento REEQ 499/ECM/2005, à Universidade de Coimbra e à empresa PER-FISA SA pelo apoio financeiro prestado para o desenvolvimento desta investigação científica. Os autores agradecem ainda à empresa FUTURENG Lda pelo apoio de consultoria.

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